Design and integration of an innovative propulsion system based on the association of a Compact Membrane Reactor and a Fuel Cell System

Abstract

[ES] Amb l objectiu de frenar el calfament global i reduir les emissions, les anomenades energies netes es troben al centre de la investigació i del desenvolupament de la indústria i del transport. Per prosperar en aquest context de crisi ambiental, l Hidrogen es postula com un dels principals agents per garantir una energia neta i sostenible en el futur. En el sector del transport, les Piles de Combustible (FCS) estan generant interés com una de les opcions més prometedores per aconseguir la descarbonització, alineant-se amb el progrés actual cap a l economia de l Hidrogen. Aquest Treball Final de Màster s ha desenvolupat en el marc del Projecte Europeu ALL-IN Zero, el principal objectiu del qual és el desenvolupament d un sistema que alimenta un Reactor Compacte de Membrana (CMR) amb múltiples combustibles de baix contingut de carboni, emissions zero o carboni negatiu, com Amoníac, Gas Natural o alcohols, generant Hidrogen com a vector energètic intermedi. Aquest serà consumit in situ per Motors de Combustió Interna (ICE) i per FCS per generar energia elèctrica i mecànica amb zero emissions. Aquest treball cobreix alguns aspectes de les fases d Optimització, Integració i Escalat, comptant amb dos objectius principals. El primer d ells és desenvolupar una plataforma de modelatge per al CMR i el FCS que permeta dissenyar el sistema de recuperació de calor i maximitzar l eficiència global. El segon objectiu és integrar el CMR i el FCS en una plataforma de simulació multiescala per a Vehicles Heavy-Duty (HDV) per tal d estimar el rendiment del sistema propulsiu en condicions realistes. A més, es proposa un disseny del layout que conté tots els components involucrats en el sistema propulsor per a HDV, així com una selecció de components per al sistema tèrmic.

[CA] Amb l’objectiu de frenar el calfament global i reduir les emissions, les anomenades energies netes es troben al centre de la investigació i del desenvolupament de la indústria i del transport. Per prosperar en aquest context de crisi ambiental, l’Hidrogen es postula com un dels principals agents per garantir una energia neta i sostenible en el futur. En el sector del transport, les Piles de Combustible (FCS) estan generant interés com una de les opcions més prometedores per aconseguir la descarbonització, alineant-se amb el progrés actual cap a l’economia de l’Hidrogen. Aquest Treball Final de Màster s’ha desenvolupat en el marc del Projecte Europeu ALL-IN Zero, el principal objectiu del qual és el desenvolupament d’un sistema que alimenta un Reactor Compacte de Membrana (CMR) amb múltiples combustibles de baix contingut de carboni, emissions zero o carboni negatiu, com Amoníac, Gas Natural o alcohols, generant Hidrogen com a vector energètic intermedi. Aquest serà consumit in situ per Motors de Combustió Interna (ICE) i per FCS per generar energia elèctrica i mecànica amb zero emissions. Aquest treball cobreix alguns aspectes de les fases d’Optimització, Integració i Escalat, comptant amb dos objectius principals. El primer d’ells és desenvolupar una plataforma de modelatge per al CMR i el FCS que permeta dissenyar el sistema de recuperació de calor i maximitzar l’eficiència global. El segon objectiu és integrar el CMR i el FCS en una plataforma de simulació multiescala per a Vehicles Heavy-Duty (HDV) per tal d’estimar el rendiment del sistema propulsiu en condicions realistes. A més, es proposa un disseny del layout que conté tots els components involucrats en el sistema propulsor per a HDV, així com una selecció de components per al sistema tèrmic.

[EN] Aiming to reduce global warming and emissions in general, cleaner technologies are the spotlight of research, industry and transport development. In order to thrive through environmental crisis, Hydrogen is postulated as one of the main agents to guarantee a clean and sustainable energy future. In the transport sector, Fuel Cell Systems (FCS) are gaining interest as promising options to decarbonize the sector in line with the current progress towards the Hydrogen economy. This Final Master s Thesis has been developed within the framework of the European Project ALL-IN Zero, whose main objective is to develop a multi-fuel system that will feed low, zero or carbon negative fuels like Ammonia, natural gas or alcohols into a Compact Membrane Reactor (CMR), producing Hydrogen as an intermediate temporary energy vector. The temporary energy vector will be consumed in situ by Internal Combustion Engines (ICE) and FCS to generate electrical and mechanical power with zero emissions. The Thesis covers some aspects of the Optimization, Integration and Scaling phases, having two main objectives. The first one is to develop a modelling framework for the CMR and a FCS to design the heat recovery system to maximize the global efficiency. The second one is to integrate the CMR+FCS models in a multiscale Heavy-Duty Vehicles (HDV) simulation platform to develop control strategies and estimate the powertrain performance in realistic conditions. Furthermore, the design of a layout that contains all the components involved in the propulsion system is proposed for HDV. Finally, the selection of thermal components is also part of this Thesis.